CC BY
22
Представлена методика спрощеного статичного розрахунку та результати експери-ментальних дослиджень конструкцп торцевого затрного iмпульсного ущшьнення для вiд-центрового компресора. Геометричн розмiри ущшьнення пiдiбранi таким чином, щоб забез-печити його працездаттсть при частотi обер-тання валу до 10000 об/хв i тиску до 5,0 МПа при витоках, що не перевищують 37 нл/хв. Використання здвоеног конструкцп ущшьнення дозволить зменшити об'емш витрати та збшь-шити к. к. д. видцентрового компресора
Ключовi слова: затрне iмпульсне ущшьнення, статичний розрахунок, витратш характеристики, видцентровий компресор
□-□
Представлена методика упрощенного статического расчета и результаты исследований конструкции торцового затворного импульсного уплотнения для центробежного компрессора. Геометрические размеры уплотнения подобраны таким образом, чтобы обеспечить его работоспособность при частоте вращения вала до 10000 об/мин и давлении до 5,0 МПа при протечках, не превышающих 37 нл/мин. Использование сдвоенной конструкции уплотнения позволит уменьшить объемные потери и увеличить к. п. д. центробежного компрессора
Ключевые слова: затворное импульсное уплотнение, статический расчет, расходные характеристики, центробежный компрессор
УДК 621.515: 62-251: 62-762
|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.598841
РОЗРОБКА ТА ДОСЛ1ДЖЕННЯ ТОРЦЕВОГО ЗАП1РНОГО 1МПУЛЬСНОГО УЩ1ЛЬНЕННЯ В1ДЦЕНТРОВОГО КОМПРЕСОРА
А. В. Загорулько
Кандидат техычних наук, доцент* E-mail: anzagorulko@omdm.sumdu.edu.ua Д. В. Л1совенко Астрант* E-mail: dimlis777@mail.ru В. С. М а р ц и н к о в с ь к и й Кандидат техычних наук, доцент ТОВ «ТР1З»
вул. Машинобудiвникiв, 1, м. Суми, УкраТна, 40020
E-mail: mbc@triz.sumy.ua *Кафедра загальноТ мехашки та динамки машин Сумський державний уыверситет вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, УкраТна, 40007
1. Вступ
У тепершнш час сухi торцевi газовi ушдльнення з канавками рiзноi форми досить широко використо-вуються для герметизацп вщцентрових компресо-рiв рiзного призначення. Витоки через торцевi газовi ушдльнення, за рахунок малих зазорiв (2-5 мкм) мiж нерухомою i торцевою поверхнею, що обертаеться, е значно меншими, шж витоки через газовi лабiринтнi ушдльнення, якi мають зазори мiж гребнями i поверхнею обертового валу рiвними 0,2-0,3 мм [1].
Для промислових газових компресорiв iснуе не-обхiднiсть зменшення кiлькостi витокiв газу через лабiринтне ушiльнення розвантажувального поршню валу, щоб зменшити споживання енергп. У деяких ви-падках витоки газу через цей зазор досягають 10 вщ-соткiв вiд витрати компресора [2]. Щоб зменшити щ витоки i покращити ефективнiсть компресора можуть використовуватися конструкцii подвiйних сухих то-рцевих газових ушiльнень з коакиальним розташу-ванням ступенiв, як вже широко використовуються в хiмiчних насосах [3]. Як правило, це газодинамiчнi ушiльнення зi спiральними канавками, в яких складно досягти газодинамiчного розкриття торцевого сти-ку при пуску та при невеликих частотах обертання валу. Тому вони потребують використання твердих
дороговарткних матерiалiв торцевоi пари i вщповщно спецiальноi дороговартiсноi технологii виготовлення канавок.
Таким чином, актуальним е замша традицшно'Т конструкцп торцевого газового ушдльнення зi страль-ними канавками i лабiринта на бiльш просту у виго-товленi та дешевшу конструкцiю затрного торцевого iмпульсного ущiльнення, яке може досить широко ви-користовуватись для герметизацп валу вщцентрових компресорiв. Створення таких конструкцш ущiльнень потребуе розробки методики спрошеного статичного розрахунку, необхвдного для правильного вибору геометрп: геометричних розмiрiв кiлець, кiлькостi та об'ему камер i живильникiв, а також експерименталь-них дослiджень витратних характеристик i перевiрки працездатностi ушдльнювального вузла.
2. Аналiз лiтературних даних та постановка проблеми
Найб^ьш широке використання у ввдцентрових компресорах мае двоступеневе тандемне газове ушдль-нення з промiжним лабiринтом. Воно конструктивно складаеться з двох ушдльнень в одному картриджи Перше ушдльнення сприймае повний перепад тиску, тодi як друге працюе при малому перепадi тиску i е ре-
©
зервним, здатним у випадку виходу iз строю першого ущдльнення сприймати весь перепад тиску. Для iзо-ляцп газового ушiльнення вiд пiдшипниковоi камери та запоб^ання попадання масла на поверхш кiлець служить бар'ерне ущдльнення. Воно також виконуе функцiю резервного ущдльнення на випадок катастро-фiчного руйнування перших двох ступенiв. Зазвичай виконуеться у виглядi лабiринтного або сегментного графггового ушiльнень. Герметизацiя досягаеться за рахунок подачi буферного газу (повиря) [4].
Фiрмою Бургманн (Шмеччина) запропонована конструкцiя коаксiального торцевого газового ушдль-нення з реверсивними канавками, яке використову-еться у якостi бар'ерного для тандемного газового ушдльнення. Ушдльнення розраховане на тиск буферного газу до 10 атм. Витоки буферного газу складають 30 нл/хв при дiаметрi валу 120 мм та частой обертання 14700 об/хв. Наведена програма та результати випро-бувань, виконано порiвняння з кнуючими конструк-щями бар'ерних ушiльнень [5].
Для замши традицшного лабiринтного ушдльнен-ня розроблено сухе газове ушдльнення на високi пара-метри. Аналiз деформацiй, гiдродинамiчний аналiз та випробування показали зниження на 4 % електричноi потужносп 2100 кВт азотного турбокомпресора та сут-теве зниження витоюв через ушiльнення [2].
Газостатичне торцеве ушдльнення мае багато пе-реваг i може використовуватися в роторних машинах з низькими швидкостями ковзання. Розглядаеться ушдльнення iз зовшшшм дросельним пiдведенням ушiльнювального газу. Виконано аналiз впливу тов-щини газовоi плiвки, тиску подачi повiтря, юлькост та дiаметру дроселiв на силу розкриття торцевоi пари та жорстюсть газовоi плiвки [6, 7].
Представлена запатентована конструкщя газового ушiльнення з шевронними спiральними канавками, яка використовуеться для високошвидюсних турбо-компресорiв. Для визначення розпод^у тиску на то-рцевiй поверхнi та характеристик ушдльнення розгля-нутi методи одновимiрного аналиичного розв'язання «теорп вузького каналу» та двовимiрного числового розв'язання стиснутого рiвняння Рейнольдса методом скiнченних елементiв. Приклади розрахунку показу-ють добрий збк результатiв розрахунку як по однови-мiрнiй, так i по двовимiрнiй методикам з результатами експериментальних вимiрювань витокiв [8].
Методики статичного розрахунку та експериментальних дослщжень рщинних запiрних iмпульсних ушiльнень наведенi у працях [9-11]. Експерименти показали, що робота затрних iмпульсних ушiльнень для насоав значною мiрою залежить вщ перепаду тиску мiж запiрним i ушiльнювальним середовищем. Тому вони потребують використання диференцiйного регулятора перепаду тиску.
З аналiзу лиературних джерел слiдуе, що запiрне iмпульсне ушiльнення мае значнi перспективи використання у ввдцентрових компресорах. Конструкщя цього ушдльнення може виконувати функцп як бар'ерного, так i резервного ушдльнень та може замiнити тандемне газове ушдльнення з промiжним лабiринтом. За рахунок газостатичноi ди запiрноi канавки е можливiсть використовувати це ушдльнення в роторних машинах з низькими швидкостями ковзання. При розробщ кон-струкцii запiрного iмпульсного ушiльнення потрiбно
враховувати, що сила навантаження, яка притискуе юльця, повинна автоматично змшюватися зi збшьшен-ням як ущдльнювального, так i затрного середовищ. Це дозволить зменшить вплив перепаду тиску та ввдмови-тись вщ використання диференцiйного регулятора в певному дiапазонi. При розробцi методики спрощеного статичного розрахунку с достатньою точнiстю можна розглядати всi розв'язання в одновимiрнiй аналiтичнiй постановцi. Необхвдно провести експериментальний аналiз витратних характеристик, тобто залежносп ви-трат ввд запiрного та ушiльнювального середовищ та частоти обертання валу. Для перевiрки працездатност достатньо контролювати середню температуру в парi тертя та допустиму герметичшсть ушiльнення.
3. Мета i завдання дослщження
Мета - розрахунок та випробування конструкцii, отримання витратних характеристик затрного iм-пульсного ущдльнення.
Для досягнення поставленоi мети необхвдно вирь шити наступнi задачi:
- розробка конструкцп i методики спрощеного статичного розрахунку затрного торцевого iмпульсного ущдльнення;
- розробка методики та експериментального стенда для експериментальних дослщжень запiрних торце-вих iмпульсних ушiльнень;
- експериментальна перевiрка працездатност ушiльнювального вузла.
4. Описання конструкцп i методики спрощеного розрахунку затрного iмпульсного ущiльнення
Пара тертя затрного торцевого iмпульсного ущдль-нення (рис. 1) складаеться з аксiально-рухомоi метале-воi обойми 1, в яку встановлено юльце 2 з м'якого гра-фiту, з виконаними на ньому замкнутими камерами 3 i юльцевою запiрною канавкою 4, в яку подаеться тиск затрного повиря ре, i сталевого кiльця 5 з радiаль-ними живильниками 6, зафжсованого в обоймi 7, що обертаеться разом з валом 8. Принцип роботи затрного iмпульсного ущдльнення описаний у роботах [9-11].
При розрахунку передбачаеться ламшарна iзотер-мiчна течiя в торцевому зазорь Рiвняння стану щеаль-ного газу ^вняння Клапейрона)
Р = РЯТ, (1)
де р - тиск газу, Па.
Розрахункова схема затрного iмпульсного ущдль-нення також показана на рис. 1. Робота ущдльнюваль-ного вузла полягае в урiвноваженнi газостатичних сил, що дтть на акаально-рухому втулку силами пульсуючого тиску газу, який акумулюеться в камерах, та супроводжуеться нестащонарними газодина-мiчними процесами.
Рiвняння нерозривностi течii отримаемо на тд-ставi рiвностi масовоi витрати газу на входi i на виходi з ушiльнювального зазору за перюд часу мiж двома iмпульсами тиску. При цьому будемо виходити з таких припущень:
2 5 7
Рис. 1. Схема зашрного торцевого iмпульсного ущтьнення
1. Змша тиску газу в камерах в чаи лшшна. Тод1 середнiй тиск в камерi за перiод часу мiж вприскуван-нями
Р2 ="
Ре + Рт
2
(2)
де ре - тиск газу на входi в ущдльнення, Па; pmin - мь нiмальний тиск газу в камерi при його iзотермiчному розширеннi, Па.
2. Тиск на перемичках мiж камерами дорiвнюе се-редньому тиску в камер! Це припущення пов'язане з тим, що вiдстань мiж камерами незначна, а обсяг газу в цш зонi досить малий у порiвняннi з об'емом газу в
прилеглих камерах. Таким чином, середнш в чаа тиск газу на пояску камер, який обмежений радiусами гу 1 Гк2 (рис. 1), дорiвнюе Р2.
3. 1нерцшний напiр у торцевому дроселi, який визваний вщцентровими силами, зневажливо малий. Позначимо М3 - середня масова витрата газу через внутршнш торцевий дросель ущдльнення, який обмежений радiусами г3 i Гк1, за перюд помiж вприскуваннями to; М2 - середнi масовi витоки газу, яю акумульованi в камерах за перюд часу '¿х живлення М1 - масова витрата газу через зовшш-нiй торцевий дросель ущдльнення, який обмежений радiусами г^2 i гС1, за iнтервал часу мiж живленнями камер (to—tl).
Тда рiвняння балансу витрат через торцеву шдли-ну ущiльнення, мае вигляд
М^ -tl) + M2tl = M3t0.
ц=ь
ю
або
t =
t0 = __ ,
t =а
ч
ю
або
t =
tl = , пю
М1 =
пь3(р2 - р2) 12цЯТ1п(гс^гк2),
М = яЬ3(р2- р3)
3 12цЯТ1п(Гк^г3)
де рз - тиск газу на виходi з ущiльнення, Па; Г3 - вну-трiшнiй радiус торцево'Т щiлини, м; Гк1 - внутршнш радiус пояска камер, м.
Визначимо масову витрату газу, яка аку мулюеться в камерах:
0Лр2 - р2 )+02(Ре - Р2)=а3(р2 - р2 ),
(3)
тут
З розрахунково'Т схеми (рис. 1) отримаемо вираз для перюду часу помiж вприскуваннями
(4)
(5)
01 =
02 =
03 =
пЬ3(Р-а)
12РтЯТ1п(Гс^Гк2) 2Ую
рят
пЬ3
12цЯТ1п(Гк^г3)
(12)
(13)
(14)
(15)
де Р - кут помiж живильниками, рад; ю - кутова швид-юсть обертання опорного кiльця, рад/с; z - кiлькiсть живильникiв на опорному юльщ.
Залежнiсть для iнтервалу часу повного живлення камери
де 01 - характеристика зовшшнього дроселя, кг с-1 Па-2; 02 - масова провщшсть пояску камер, кг с-1 Па-1; 0з -характеристика внутршнього дроселя, кг с-1 Па-2.
Права частина виразу (12) дорiвнюе масовш витра-тi в навколишне середовише через затрне iмпульсне ущiльнення:
(6)
(7)
М=03(р2 - р2).
(16)
де а - кут помiж камерами, рад; п - юльюсть камер на аксiально-рухомому кiльцi.
Вираз для масово'Т витрати через зовшшнш тор-цевий дросель запишеться з рiвняння Пуазейля для напiрноi течп:
На рис. 1 показанi епюри тискiв газу, якi дiють на акиально-рухоме кiльце. З урахуванням цього рiвнян-ня статично'Т рiвноваги запишеться у виглядi
А А
(Ре + Му + РеА11 + (Ре + +
А
+(2Р2 + Р3 )у + Р2А2 = Р1В1 + РеВе + кД , (17)
де
(8)
де Я - газова стала, Дж кг-1К-1; т - динамiчна в'язюсть газу, Па с; гс1 - внутршнш радiус запираючо'Т канавки, м; Гк2 - зовнiшнiй радiус пояску камер, м; Ь - величина торцевого зазору, м.
Аналопчно знайдемо вираз для масово'Т витрати через внутршнш торцевий дросель:
(9)
А1 = П(Г12 - Гс22 ) , А11 = п(Гс22 - Гс21 ) , А12 = п(Гс21 - Гк22 ) ,
А2 = П(Гк22 - Гк21 ) , А3 = П(Гк21 - Г32 ) ,
В1 =П(Г12 -Г822), Ве =П(Г22 -Г.1),
де Д - величина попереднього стиснення пружини, м; к - жорстюсть пружного елемента, Н/м.
З рiвнянь осьово'Т рiвноваги (17) i нерозривностi течп газу (12) отримаемо вираз для середнього тиску в камерi р2 та залежшсть торцевого зазору Ь вiд наванта-жуючих факторiв р1, ре, р2 та швидкостi обертання валу ю (статична характеристика запiрного iмпульсного ушдльнення):
Р1(Ве + В1 - А - А» - А^) + Др (Ве - А - Аи - ^
Р2 =-
-Р3-
А
М2 =
У(Ре - Рт,п) RTt1
(10)
А
А
2А
-,(18)
де У - сумарний обсяг камер, м3.
З урахуванням рiвняння (2) маемо
М2 =
2У(Ре - Р2) RTt1 '
(11)
Ь =
Шдставивши отриманi вирази в рiвняння балансу витрат, за перюд часу помiж вприскуваннями (3) i пiсля деяких перетворень, одержимо рiвняння нероз-ривносп течii газу через торцеву шдлину
13
24цУ ю(р1 +Др-р2)
пР
(р2 - Р3) (Р-а)((Р1 + ДР) -Р2
1п (Ги/Г3 ) Р 1п (Гс^Гк2 )
(19)
де Др - перепад тиску мiж тиском запiрного ре та ущiльнювального р1 середовиш.
KpiM того, для компенсацп можливих силових дефор-мацiй за допомогою програми Ansys Mechanical викона-но розрахунок напружено-деформованого стану юлець запiрного торцевого iмпульсного ущiльнення (осесиме-трична задача). Геометрiя кiлець вибиралась таким чином, щоб забезпечити неплощиннiсть меншою за 0,3 мкм (оптична площиннють). Для аксiально-рухомого кiльця розглядався поворот навколо геометричного центру си-метрп. Результати розрахунку наведен на рис. 2.
Г
5. Експериментальна установка та результати випробувань
Для випробувань конструкцш торцевих зашрних iмпульсних ущiльнень вщцентрових компресорiв синтез газу i вуглекислого газу був створений екс-периментальний стенд (рис. 3). Стенд складаеться з поршневого компресору, призначеного для закачуван-ня робочого середовища (пов^ря) в колектор тиску, системи трубопроводов, шафи управлшня \ експери-ментально! установки для випробування упцльню-вальних вузл1в. Вал установки приводиться в обер-тання асинхронним двигуном змшного струму М з робочою частотою обертання п=2950 об/хв. За допомогою мультиплжатора МП з передатним числом р1вним 4,3 частота обертання валу може бути збыыиена до 12000 об/хв. Регул ювання частота обертання зд 1 йен гость ся перетворювачем частота. Змазування зубчасто1 передач! мультиплжатора забезпечуеться вщцентро-вим маслонасосом ЦН. Для регулювання упцльнюваль-ного 1 зашрного тисюв використовуються редуктори Р1 \ Р2, а для IX вим1рювання манометри МН1-МНЗ. Витоки пов1тря з випробовуваних ущыьнювальних вузл1в в атмосферу вим1рюються ротаметрами РТ1 \ РТ2, а температура акаально-рухомого юльця зашрно-го ¿мпульсного ущыьнення датчиками температури Т.
Рис. 2. Деформац1я к1лець ущ1льнення в [мм]: а — акаально-рухоме статорне юльце; б — роторне юльце
В результатi проектувального розрахунку пшбра-на геометрiя (геометричнi розмiри юлець, коефiцieнт навантаження, кiлькiсть та розмiри камер i живильни-кiв), що дозволить забезпечити необхiдну герметич-нють та працездатнiсть ущiльнення.
Рис. 3. Схема експериментального стенду для випробувань зашрних торцевих 1мпульсних ущ1льнень
Експериментальна установка для випробувань зашрних торцевих iмпульсних ущыьнень наведена на рис. 4. Установка включае корпус 1, змшну обойму 2, фальшвал 3 i випробовуванi вузли ущыьнень 7. Змiнна обойма 2 у осьовому напрямку фжсуеться в корпус 1 установки кришкою 8, яка закривае випро-бовувану частину установки, утворюючи камеру для збору витоюв пов^ря. Можливiсть замiни обойми i фальшвалу дозволяе випробовувати ущiльнювальнi вузли на рiзнi дiаметри валу. У корпус установки монтуються два iдентичнi ущыьнювальш вузли, роз-ташованi за схемою «спина до спини», що забезпечуе розвантаження валу в осьовому напрямку. Торсион 5 обертаеться всередеш порожнисто! нерухомо! втулки 6 та за допомогою шдшипниюв кочення 4 передае крутильний момент на фальшвал 3. Температура у
а
контакт1 акаально-рухомого к1льця ущ1льнення ви-м1рюеться датчиком температури (термопара), який встановлюеться на ввдсташ меншо! за 1 мм до торцево! поверхш 1 вим1рюе середню температуру к1льця.
Метою випробувань е перев1рка працездатност1 затрного торцевого 1мпульсного ущдльнення при р1зних робочих параметрах: частот1 обертання валу, ушдль-нювального та затрного тиск1в.
Випробування проводилися при наступних робочих параметрах: частота обертання валу п=0-10000 об/хв, тиск робочого середовища до 5 МПа, матер1али юлець торцево! пари - вуглеграфи АГ 1500 - сталь 30Х13, внутр1шнш та зовшшнш рад1уси торцево! пари -г3=49,5 мм, г1=67 мм вщповщно.
Вим1рюваш параметри:
- температура акс1ально-рухомого к1льця ущдль-нення Т;
- частота обертання валу п;
- тиски ущ1льнювального 1 затрного середовищ р 1 ре;
- витоки через ущдльнення (масова витрата) М.
Випробування проводилися при розгшному 1 у по-
стшному режимах.
Експериментальш характеристики:
- залежшсть витоюв через ущдльнення в1д вели-чини тисюв ущдльнювального 1 затрного середовищ;
- залежшсть виток1в через ущдльнення в1д частоти обертання валу;
- залежшсть температури акс1ально-рухомого юльця в1д часу випробувань ущдльнення при постш-ному перепад! тиску 1 частой обертання валу на одному з режим1в.
Методика проведення експерименту:
1. Закачування компресором пов1тря в колектор тиску. За допомогою редуктор1в встановлюеться необ-хщний ущдльнюваний 1 затрний тиск.
2. Подача тиску ущдльнювального середовища 1 пе-рев1рка герметичност1 пар тертя на стоянщ без подач1 тиску затрного середовища.
3. Подача тиску затрного середовища 1 перев1рка на стоянщ.
4. Установка необхщного перепаду тиск1в (0,10,5 МПа) м1ж ущдльнювальним 1 затрним середови-щами для розвантаження контактно! пари 1 безконтак-тного пуску ущдльнення.
5. Пуск двигуна, плавне зб1льшення частоти обертання до робочо! (3000, 10000 1 12000 об/хв).
6. Випробування при р1зних ущдльнювальних тисках (до 5 МПа) 1 частотах обертання (до 10000 об/хв), визначення меж1 працездатност1 ущдльнення для ви-користаних матер1ал1в пари тертя.
Рис. 4. Установка для дослщжень затрних торцевих iмпульсних ущтьнень
7. nepeBipKa працездатност ущiльнення за вщсут-ност подачi тиску 3anipHoro середовища.
8. Випробування ущiльнення протягом 10 годин на робочих параметрах.
9. Випробування ущыьнення протягом 10 годин на максимальних параметрах.
10. Огляд юлець пари тертя ^зке шдвищення тем-ператури ак^ально-рухомого кiльця свiдчить про контакт юлець пари тертя i стенд мае бути зупинений).
11. Обробка результат випробувань. Отримання залежностей витоюв вщ ущiльнювального i зашрного тискiв та частоти обертання валу. А також залежнос^ температури акаально-рухомого кiльця за часом про-тягом випробування на робочих параметрах.
Випробування зашрного торцевого iмпульсного ущiльнення показали (рис. 5, 6), що масова витра-та збыьшуеться при збыьшенш частоти обертання, ущiльнювального тиску та перепаду тиску мiж ущыьнювальним i запiрним середовищем (рис. 5, а-в). Ущiльнення мае досить не погану герметичнють, так при частой обертання и=10000 об/хв масова витрата дорiвнюе 37 нл/хв. Температура в парi тертя не пере-вищуе 45 oC (рис. 6, а-в).
При розгонi валу температура ак^ально-рухомого кiльця збiльшуеться та досягае постшно! величини 42 oC (рис. 6, г). Розбирання установки та ущыьню-вальних вузлiв показало задовiльний стан юлець ущыьнення, який дозволяе використовувати 1х у на-ступних випробуваннях без додаткового притирання (рис. 7). Таким чином, на протязi всього перюду випробувань забезпечувалася достатня герметичнють i тепловий стан ущыьнювального вузла.
Якщо порiвнювати з конструкщями реверсивних та нереверсивних газодинамiчних ущыьнень фiрми «Бургманн» (Нiмеччина) [12], одного з св^ових лще-рiв у виробництвi торцевих ущiльнень, то конструкщя запiрного iмпульсного ущiльнення мае подiбну герме-тичнiсть (рис. 8), але за рахунок здвоено! конструкцп вщпадае необхiднiсть застосування промiжного лабь ринтного ущыьнення, що дозволить суттево збыьши-ти к.к.д вiдцентрового компресора.
Результати експериментальних дослщжень за-пiрного iмпульсного ущiльнення показали, що на протязi всього перiоду дослiджень забезпечуеться достатня герметичнють i тепловий стан ущыьню-вального вузла.
Рис. 5. Залежнють зовн1шн1х витоюв: а — в1д ущ1льнювального тиску; б — в1д частоти обертання валу; в — в1д перепаду тиску
За рахунок здвоеноТ конструкцп запiрного торцевого iмпульсного ущiльнення вiдпадаe необхвдшсть застосування промiжного лабiринтного ущiльнення, що дозволить суттево збiльшити к.к.д вщцентрового компресора. Також конструкцiя цього ушдльнення може виконувати функцп як бар'ерного, так i резервного ушдльнень, а за рахунок газостатичноТ дп запiрноi канавки е можливiсть використання його в роторних
машинах з низькими швидкостями ковзання. Випро-бування затрних торцевих iмпульсних ушiльнень показали залежшсть герметичностi ушiльнювального вузла вщ перепаду тиску мiж запiрним i ушiльнюваль-ним середовишем, а це дозволяе визначити область застосування регулятора перепаду тиску та необхвд-нiсть подальшого дослвдження його впливу на роботу ушдльнення.
г, »с
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5
1 -Р1-5,0МПа
ч-Р =3,0 МП а
2000 3000 4000 5000 6000 7000 8001) 9000
10000 11000 п, об/хз
»С
18
Р1 = Р1 = —*— Г* 1 — 5,0 МПа
4,5 МПа ?,0 МПа
-»-Р1= 3,5 МПа
V *
С
■р----- ----
2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
п, об/хв
Рис. 6. Залежшсть температури: а, б, в — вщ частоти обертання валу; г — вщ часу випробувань при збтьшенш частоти
обертання в дiапазонi п=1000—10000 об/хв
Рис. 7. Торцевi поверхш ктець випробуваного ущтьнення
б
а
в
г
Рис. 8. Пор1вняння витратних характеристик ущтьнень
7. Висновки
1. Методика спрощеного розрахунку (розглядаеть-ся одновим1рна ламшарна 1зотерм1чна теч1я в торцевому зазор1) конструкцiï зашрного торцевого 1м-пульсного ущдльнення, що була розроблена, дозволяе
пвдбрати геометр1ю (геометричш розм1ри юлець, коефщ1ент наванта-ження, юльюсть та розм1ри камер i живильниюв). Це досягаеться завдя-ки анал1зу середнього тиску та об'е-му камер, навантажуючих фактор1в та завдяки компенсацп силових де-формацш юлець. За рахунок здвое-ноï конструкцп зашрного торцевого 1мпульсного ущдльнення вщпадае необхвдшсть застосування пром1ж-ного лаб1ринтного ущдльнення, що дозволить суттево зб1льшити к.к.д вщцентрового компресора. Також конструкщя цього ущдльнення може виконувати функцп як бар'ерного, так i резервного ушдльнень, а за рахунок газостатичноï дп запiрноï канавки е можлив1сть використання його в роторних машинах з низькими швидкостями ковзання та з парами тертя з б1льш дешевих матер1ал1в.
2. Методика та оригшальне екс-периментальне обладнання для екс-периментальних дослщжень затр-них торцевих 1мпульсних ущдльнень, що було розроблене, дозволяе проа-нал1зувати мехашзм герметизацп та перев1рити '¿х працездатшсть.
3. Випробування та експериментальна перев1рка працездатносп про-мислового зразка зашрного торцевого 1мпульсного ущдльнення компре-сору синтезу газу показали високу на-дшшсть ущдльнювального вузла при частой обертання валу до 10000 об/хв i тиску до 5,0 МПа при витоках, що не перевищують 37 нл/хв. Витратш
характеристики ущдльнення показали залежшсть гер-метичност1 ущдльнювального вузла вщ перепаду тиску м1ж зашрним i ущдльнювальним середовищем, а це дозволяе визначити область застосування регулятора перепаду тиску та необхщшсть подальшого досль дження його впливу на роботу ущдльнення.
^riepaTypa
1. Neuberger, S. Gas-lubricated mechanical face seals reduce CO2 emissions [Text] / S. Neuberger, E. Bock, W. Haas, K. Lang // Sealing Technology. - 2014. - Vol. 2014, Issue 9. - P. 8-12. doi: 10.1016/s1350-4789(14)70343-5
2. Tabata, H. Study of High Efficiency Turbocompressor. Development of High-Speed and High-Pressure Dry-Gas-Seal [Text] / H. Tabata, M. Sano // IHI Engineering Review. - 2005. - Vol. 38, Issue 1. - P. 1-5.
3. Pat. 6076830 USA, F 16 J 15/34 [Text]. - Dual Non-Contacting Mechanical Face Seal Having Concentric Seal Faces.
4. Bridon, R. Gas seal contamination [Text] / R. Bridon, O. Lebigre // Proceedings of the Fortieth Turbomachinery Symposium, Houston. Texas. 2011. - P. 146-152.
5. Sattler, M. A new oil barrier seal for dry gas seals [Text] / M. Sattler // Sealing Technology. - 2009. - Vol. 2009, Issue 9. - P. 8-11. doi: 10.1016/s1350-4789(09)70495-7
6. Zhu, W.-B. Research on sealing performance of hydrostatic pressure mechanical seal [Text] / W.-B. Zhu, H.-S. Wang, S.-R. Zhou // Journal of Marine Science and Technology. - 2014. - Vol. 22, No. 6. - P. 673-679. doi: 10.6119/JMST-014-0321-1
7. Zhu, W. Performance of externally pressurized dry gas seal [Text] / W. Zhu, S. Zhou, H. Wang // Advanced Materials Research. -2011. - Vol. 335-336. - P. 610-614. doi: 10.4028/www.scientific.net/amr.335-336.610
8. Wang, Y. Theoretical analyses and field applications of gas-film lubricated mechanical face seals with herringbone spiral grooves [Text] / Y. Wang, H. Yang, J. Wang, Y. Liu, H. Wang, X. Feng // Tribology Transactions. - 2009. - Vol. 52, Issue 6. - P. 800-806. doi: 10.1080/10402000903115445
9. Gaft, J. Design and calculation of mechanical seals with self-adjusting clearance [Text] / J. Gaft, V. Martsinkovskyy, B. Gromyko, A. Zahorulko // Proc. XVII Int. Conf. on Fluid sealing, BHR Group, York, England, 2003. - P. 505-520.
10. Gaft, J. Theoretical and experimental investigations of buffer face impulse seals [Text] / J. Gaft, A. Zahorulko, V. Martsynkovskyy, Cz. Kundera // 11th EDF/Pprime Workshop: "Behaviour of Dynamic Seals in Unexpected Operating Conditions". Futuroscope, 2012. - P. 70-80.
11. Загорулько, А. В. Теоретические и экспериментальные исследования затворного торцового импульсного уплотнения с дискретным подводом [Текст] / А. В. Загорулько // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2015. - Т. 4, № 7 (76). - С. 45-52. doi: 10.15587/1729-4061.2015.48298
12. Gas lubricated mechanical seals [Text]. - Feodor Burgmann Dichtungswerke GmbH & Co., First Edition, 1997. - 75 p.
-□ □-
Виявлена природа прояву резонансних явищ в шд-вс поплавкового двохстепеневого гiроскопа в звуко-вих полях гтерзвукового польоту, яка побудована на критичнш змн звукопроникностi корпуса приладу. Окреслеш умови формування в тдвс хвильового ствп-адання на високих i низьких частотах i виявлена сту-тнь впливу симетричного i антисиметричного iмпе-дансу. Доведена ефективтсть боротьби з резонансом також резонансними методами
Ключовi слова: гiперзвуковi технологи, поплавковий гiроскоп, хвильове ствпадання, резонанс ствпадання,
антисиметричний Ыпеданс
□-□
Раскрыта природа проявления резонансных явлений в подвесе поплавкового двухстепенного гироскопа в звуковых полях гиперзвукового полета, основанная на критическом изменении звукопроницаемости корпуса прибора. Очерчены условия формирования в подвесе волнового совпадения на высоких и низких частотах и установлена степень влияния симметричного и антисимметричного. Доказана эффективность борьбы с резонансом также резонансными методами
Ключевые слова: гиперзвуковые технологии, поплавковый гироскоп, волновое совпадение, резонанс совпадения, антисимметричный импеданс -□ □-
УДК 629.7.054
|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.59892|
ВОЗНИКНОВЕНИЕ РЕЗОНАНСА В АКУСТИЧЕСКОЙ СРЕДЕ ПОДВЕСА ПОПЛАВКОВОГО ГИРОСКОПА
В. Н. Мельник
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой* E-mail: karachun11@i.ua В. В. Карачун Доктор технических наук, профессор* E-mail: karachun11@i.ua *Кафедра биотехники и инженерии Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» пр. Победы, 37, г. Киев, Украина, 03056
1. Введение
Исследования относятся к области прикладной механики и посвящены изучению особенностей динамики подвеса поплавкового двухстепенного гироскопа в эксплуатационных условиях гиперзвукового движения [1]. Изучается влияние звуковых полей на формирование особенностей резонансного типа в полиагрегатном подвесе гироскопа [2]. Анализируются причины возникновения этих особенностей и их дальнейшее развитие. Предлагаются технические решения для создания "акустического комфорта" поплавковому гироскопу в натурных условиях [3].
Гиперзвуковое оружие на базе гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД) корнями своими уходит в недалекое прошлое феноменальных достижений советских КБ в области гиперзвукового движения. СССР успешно испытал гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель на водородном топливе еще в 1983 году. Скорость опытного образца ракеты достигла 6,4 М.
Американская ракета Х-51 VAVERIDER на ГПВРД без труда достигла скорости в 6 М. Опытный гиперзвуковой аппарат Х-43 даже превысил этот показатель -его скорость составила 10 М.
Российское оборонное ведомство приступило к созданию совместно с индийскими специалистами противокорабельной сверхзвуковой ракеты BRAHMOS, которая на сегодняшний день считается самой скоростной крылатой ракетой из числа принятых на вооружение. Преимущество гиперзвуковых ракет состоит не только в меньшей их стоимости, но, прежде всего, в большей гибкости технологии применения.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
В 2010 году военные США сообщили, что на базе SM-3 Block IIA будет сформировано ударное средство большой протяженности Are Light. Планируется, что маршевые ступени противоракеты под-
©
